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關鍵字│電池安全 ‧ 熱失控 ‧ 熱行為 ‧ 熱卡計
電池的熱行為和安全的關聯
了解電池的熱行為可以進一步地針對安全、電池的性能及電池的壽命做更深度的研究。也可以加強電池安全管理的規範及定義出最適化的操作條件。
由於電動車的需求大增，對電池的期待也開始希望有更高的能量密度、更快的充電時間還有更長的壽命。然而對於安全的需求也開始越來越高。簡單來說，越高的能量密度可能伴隨著是電池的熱穩定性不佳，尤其當進行快充及更高的電流時可能同時會縮短穩定性跟電池壽命。幾年前大家才開始重視起飛機上的電池起火問題，然後隨著電動車的普及，高能量的電池在路上到處都是，但電池的危險卻沒有有效的管理。
了解電池的熱行為可以進一步地針對安全、電池的性能及電池的壽命做更深度的研究。也可以加強電池安全管理的規範及定義出最適化的操作條件Optimum Zone。
最適化的操作條件代表的是電池實際的熱控及電控，而最適化操作條件以外則是安全操作界線Safe Zone，在安全區條件下的電池可能會影響到壽命跟降解。但在安全操作界線外則是危險操作邊界Dangerous Zone。一旦電池的條件到達到此區域則有安全風險。(請參考下圖）
因此在電池設計上一定要清楚知道安全界線在哪，知道並在電池設計當中能調整其安全操作界線便可以確保電池安全。
電池開發階段需盡量降低風險，而在成品的階段，則需要測試跟量化安全的性能標準。而在電池集成模組的階段則是可以思考如何利用溫度管理模組介入，使電池在安全操控條件下運作。
電池的熱是怎麼來的？又如何會產生熱失控？
充放電過程本身就牽涉到吸熱跟放熱反應，另外在封閉的模塊或者承受不同的應力甚至短路都會導致熱的增加。而電池的老化也會增加電池的自熱。
電池充放電過程代表著能量的傳輸。充電通常是吸熱過程，而放電通常是放熱過程。因此溫度的變化是電池管理上一定要考量的項目之一。當溫度沒有被妥善考慮，造成了材料的裂解，比如SEI膜的降解，就會有一系列更嚴重的熱反應發生，甚至導致熱失控。也因此安全性可以說是電池開發最重要的項目之一，如果發生熱失控對於電池甚至是災難性的結果。
電池本身就包含的高反應性的化學物質。而在前面所提到，正常的操作狀況下電池自身就會產熱。如果電池在封閉模塊且處在電池組當中，散熱則會更差。如果不採取額外的熱管理措施，電池會處在幾乎「絕熱」的環境下，加上電池有可能在各種條件下使用，則加速了產熱的狀況。
一般來說電池可能會承受三種不同的應力：機械應力，電應力和熱應力。每一種都可能造成自熱增加，或者產生短路最後還是仍然導致熱增加。產生的熱量如果大於設備散熱的能力，則會導致熱失控跟電池的起火跟爆炸。而在自然情況下，電池的老化同樣可能造成阻抗增加，電池的自熱增加也可能會造成熱失控。
如何了解電池的熱行為？
利用恆溫熱卡計跟絕熱熱卡計了解電池的熱行為特性。在開發階段可以定義安全範圍，而在系統階段則是了解熱管理的方式。
在電池的工作安全區域，必須要得到兩個參數：安全的溫度範圍跟安全的電壓範圍。這也是目前定義跟評估電池熱行為的一個最主要的方式。我們利用等溫熱卡計isoBTC將電池固定在特定溫度，監測在實驗過程中電池的熱量變化，以及電池的電輸出。藉由全自動的重複循環，可以提供電池不同的電壓跟不同的充電跟放電的速率，觀察電池的熱行為跟電輸出，便可以評估電性跟熱性上的變化。isoBTC跟最適化操作條件的關聯如下所示：
如果我們要評估最壞的狀況，就是將整個系統放在絕熱的環境下，將電池所有產生的熱能都保留在系統，如上圖所示，我們會使用絕熱熱卡計BTC。電池的溫度會在安全的環境下升高，推升到其熱的極限。探測電池在極端狀況下的行為。同時可以搭配機械應力實驗（比如針刺實驗），研究當短路發生時，可能產生的熱能突然地增加，了解在危險區域的探索跟爆炸的形式。
案例分享：在不同溫度下電池充放電的改變
在這項研究中，研究了具有 2.2 Ah 容量的電池在進行充電/放電循環時的跟溫度的相關性研究。 如下圖所示，電池以 5 A 充電並以 8 A 放電，而溫度介於 60 °C 和 0 °C 之間。粉紅色跡線代表電池溫度，控制加熱器功率是藍色跡線。 加熱器功率能將電池保持在等溫條件下，並補償由於充電/放電循環導致的電池熱變化。 與充電和放電步驟有關的波峰和波谷標記在藍色跡線上：波峰表示吸熱，而波谷表是放熱。 隨著電池溫度的下降，加熱功率曲線會發生變化：在較低的溫度下，充電程序也會放熱。
進一步來看，同時可以看到在充電跟放電的過程當中，電池中釋放的熱能速率。從下圖可以看到。除了之前確定的從吸熱行為到放熱行為的轉變外，還有證據表明充電數據中的熱量輸出中有一個小的放熱峰值（發生在大約 80 分鐘之後），其幅度隨著溫度降低，如下圖 a 所示。 在圖 b 的放電數據中也觀察到了類似的峰。 這可能是由於電池內部發生了固態相轉變。（點選文章最下方連結，可以得到完整應用文章）
案例分享：研究加速充放電速率的老化對電池行為的影響
在這項研究中，研究了電池老化對電池熱行為和電性能的影響。 iso-BTC 可以在正常充電/放電率（最適化區域）和異常充電/放電率（安全區域）下進行電池循環。在這項研究中，電池在一小時內可以充電或放電的正常額定容量為16A，我們調整不同的充放電速率找到其安全的操作範圍。
該電池以 1倍充電速率和 1 倍放電速率在 2.8 V 和 4.15 V 之間循環，然後擴展到 0.5 倍充電速率和 5 倍放電速率。同時測試異常狀況將充電電流從 8 A 變為放電電流 80 A，以探查安全區域的範圍。
當以 1 倍的充電和放電速率運行時，充電和放電熱能保持相對恆定，如下圖a所示。未來還可以多次進行自動循環以了解電池的潛在壽命，
當受到異常速率時，釋放的熱能在每個循環中增加，如圖 b 所示。如果沒有在電池管理系統(BMS) 內進行充分管理，這種溫度升高可能會導致熱失控。
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